Горіння в сталеплавильних процесах

У сталеплавильних процесах використовується переважно газо­подібне та рідке паливо, а іноді тверде – вугілля.

Як газоподібне паливо найчастіше використовують висококало­рійні вуглеводні і насамперед природний газ. Природний газ майже на 95% складається з метану , а також містить більш важкі вуглеводні. Вміст шкідливих домішок у ньому, а саме сірки, низь­кий, що свого часу поклало початок поширенню використання природ­ного газу для опалювання мартенівських печей. Тепловиділення при спалюванні природного газу дорівнює 30...35кДж/м³, згідно із сте­хіометрією реакції на спалювання 1м³ природного газу потрібно майже 10м³ повітря; при цьому утворюється близько 10м³ продук­тів горіння, що містять переважно .

Із рідких палив найчастіше, використовують мазут, що є су­мішшю важких вуглеводнів і продуктів перегонки нафти. На 1кг спа­люваного мазуту згідно із стехіометрією потрібно приблизно 10м³ повітря; при цьому виділяється 42...43кДж/кг теплоти і утворюєть­ся 10...12м³ продуктів горіння, що містять переважно . Найчастіше сірки в мазуті міститься більше, ніж у природному газі, іноді її міститься надто багато, що ускладнює або робить неможли­вою десульфурацію металу в мартенівському процесі.

Останніми роками внаслідок нестачі енергоносіїв знову повер­таються до питання опалювання мартенівських печей коксодоменною су­мішшю газів. Коксовий газ, що отримується, під час виробництва кок­су, містить і іноді багато сірки. Існують способи очищення коксового газу від сірки. Теплотворна здатність коксового газу становить приблизно 15кДж/м³. У деяких випадках він може ви­користовуватись як самостійне паливо.

Доменний газ, що є продуктом доменного процесу - низькокало­рійне паливо, теплотвірна здатність якого не перевищує 4кДж/м³. Він містить переважно .

Свого часу мартенівські печі опалювались генераторним газом, який виробляється шляхом газифікації вугілля, містить і мaє теплотвірну здатність приблизно 6кВт/м³. Через обмеженість постачання природного газу і мазута можливо доведеться повернутися до розгляду доцільності опалення мартенівських печей генераторним газом.

Газ спалюється за допомогою газових пальників, до яких він надходить під тиском 0,3...1,0мПа, якщо це природний газ, або до 0,15МПа - якщо коксодоменна суміш або коксовий газ.

Мазут спалюється за допомогою форсунок, до яких подається компресорне повітря або перегріта водяна пара під тиском 1,0...1,5МПа, у результаті чого мазут розпилюється на дрібні крап­лі, які повинні бути спалені в межах робочого простору сталепла­вильного агрегату.

Газове або рідке паливо на виході з пальника або форсунки починає зміщуватись з навколишньою атмосферою. У переважній біль­шості випадків струмінь палива оточений супутним потоком повітря, що подається під тиском до 0,15МПа. При швидкостях потоку пали­ва і повітря вони є турбулентними, а такий спосіб спалювання ство­рює так званий дифузійний факел.

Якщо швидкості потоків дозвукові, зміщування палива і повіт­ря відбувається за рівнянням:

де – витрати в потоці на відстані від пальника або форсунки та первинні витрати палива, м³/с; – коефіцієнт пропорційності, – відстань, м; – діаметр отвору, через який виходить паливо, м; – густина відповідно навколишнього середовища і первинна на виході з отво­ру, кг/м³.

На деякій відстані співвідношення відповідатиме стехіометрично потрібному для спалювання всього палива. Але внаслідок того, що змішування виконується на макрорівні, а спалювання – на макрорівні окремих молекул палива і повітря, для завершення процесу спалювання необхідна деяка додаткова відстань, щоб забезпечити повне спалювання. Вона добирається звичайно емпірично і в 1,5-2 рази перевищує стехіометричну.

Горіння рідкого палива при досить дрібному розпиленні мазуту відбувається так само, як і газового палива.

Щоб запобігти неповному спалюванню, в межах сталеплавильного агрегату витрати повітря дещо перевищують стехіометричні, а його кількість визначається коефіцієнтом надлишку повітря (звичайно ) і залежить від досконалості організації процесу горіння.

Теплота, що виділяється при горінні, іде на нагрівання про­дуктів спалювання. Розрізняють калориметричну та дійсну температу­ри горіння, перша з яких є розрахунковою за припущення, що вся теп­лота йде на нагрівання продуктів спалювання, а друга відповідає дій­сності, їх різниця є наслідком того, що частина теплоти витрачаєть­ся на дисоціацію продуктів спалювання , створення радика­лів, втрачається на теплообмін із навколишнім середовищем випромі­нюванням і конвекцією. Співвідношення дійсної та калориметричної температур називають пірометричним коефіцієнтом, який дорівнює 0,6...0,8.

У результаті горіння максимальна температура, що спостерігається у факелі спалювання природного газу в повітрі, досягає 2000°C, а мазуту - 2100°C. Якщо ці гази спалюються в кисні, дій­сні температури горіння підвищуються відповідно до 2800 та 2900°С, оскільки в цьому разі відсутні втрати теплоти на нагрівання азоту повітря. Унаслідок дисоціації й утворення радикалів максимальна дійсна температура горіння спостерігається при співвідношенні ви­трат палива й окислювального газу, які дещо перевищують витрати за стехіометрією.

Власне процес горіння відбувається за умови, що теплота, яка створюється при горінні, перевищує теплові втрати суміші палива і окислювача та продуктів горіння в навколишнє середовище, що спричи­нює невпинне зростання температури.

Горіння протікає як ланцюгова реакція зі створенням радикалів , та ін.. Якщо паливо і окислювач змішані, то горіння відбува­ється в кінетичному режимі, а швидкість поширення полум’я становить 0,10...0,70 м/с у повітрі або и,5...8,0 м/с – у кисні.

Коли паливо і окислювач змішуються дифузійно, швидкість горін­ня залежить від швидкості змішування. Остання визначається насамперед різницею швидкостей потоку палива і супутнього потоку окислювача.

Довжина факелу горіння залежить від співвідношення витрат окислювача і палива при повному горінні та збільшується при підви­щенні останнього згідно з рівнянням (1.131). Збільшення температу­ри навколишнього середовища і зниження густини газової фази також сприяють подовженню факелу горіння.

Уся довжина дифузійного факелу поділяється на кілька зон: свіжої суміші палива й окислювача, підігрівання суміші, кінетично­го та дифузійного режимів горіння. У першій зоні паливо і суміш мають температуру, що наближається до первинної, у другій вони пі­дігріваються за рахунок масообміну з гарячими газами навколишнього середовища, у третій швидкість горіння визначається швидкістю поширення полум’я, а в четвертій завершуються змішування, палива й окис­лювача на мікрорівні та догоряння факелу.

Найбільша температура факелу досягається на стику третьої та четвертої зон.

Згоряння рідкого палива слід розглядати як на макро-, так і на мікрорівнях. У першому випадку йдеться взагалі про змішування потоку палива й окислювача, яке відбувається за такими самими за­кономірностями, як і газового палива, тобто шляхом дифузійного го­ріння.

На мікрорівні розглядається горіння окремих крапель рідкого палива, що звичайно мають розмір 10¹…10²мкм. Кожна крапля під впливом нагрівання випромінюванням і конвекцією випарюється. Пара рідкого палива за масопереносом поширюється назовні від краплі. Назустріч їй до краплі виконується масоперенос кисню окислювача. На якійсь відстані від поверхні краплі ці два потоки зустрічають­ся, створюючи фронт горіння пари палива в газі окислювача. У такий спосіб відбуваються пародифузійне горіння на мікрорівні і дифузій­не – на макрорівні. Усі інші особливості дифузійного горіння, на­ведені раніше для газового палива, за першого припущення відповідають горінню рідкого палива.

Останнім часом спалювання твердого палива використовується в деяких випадках конвертерного виробництва сталі як додаткове над­ходження теплоти на процес.

Наприклад, використовується спалювання вугілля або коксу для нагрівання футеровки конвертера після ремонту. Певна маса твердого палива розмішується на дні конвертера, а через кисневу фурму на по­верхню штабелю палива подається кисень. Відбувається пошарове спалю­вання палива насамперед у зоні взаємодії потоку окислювача з паливом.

При цьому всі леткі, які містяться в твердому паливі, газифікуються і згоряють у газовій фазі, що містить незасвоєний твердим паливом кисень.

На поверхні горіння тверде паливо - кисень відбувається реак­ція:

а на деякій відстані від поверхні монооксид вуглецю догоряє в кисні, У результаті створюється фронт горіння, до якого ззовні підводиться кисень, а від поверхні твердого палива – монооксид вуглецю. На само­му фронті горіння відбувається реакція:

а діоксид вуглецю, що створюється, дифундує до поверхні твердого па­лива, де бере участь у реакції (1. 132).

Вигоряння штабелю твердого палива у випадку, що описується, відбувається за складними закономірностями, які ще вивчені недо­статньо.

Відомі випадки, коли використовуване тверде паливо у вигляді порошку в струмені окислювача (кисню) вдувається у ванну металу. Процеси, що відбуваються при цьому, складаються, з одного боку, із горіння часточок твердого палива за реакціями (1.132), (1.133), а з іншого – реагування самих часточок палива, а також газів, що виді­ляються за реакціями з металом ванни.

Якщо часточка палива, що є переважно твердим вуглецем, контак­тує з рідким металом, відбувається розчинення твердого вуглецю в за­лізі за реакцією:

згідно з усіма закономірностями розчинення, унаслідок чого підвищується вміст вуглецю в металі, що збільшує надходження теплоти на процес за рахунок подальшого його окислення киснем.

Гази, що створюються внаслідок газифікації твердого палива і його горіння, містять діоксид і монооксид вуглецю, водень, метан то­що. Ці гази змішуються з продуктами окислення вуглецю киснем, що вдувається, а суміш, яка створюється, має певний окислювальний потен­ціал. Якщо останній перевищує окислювальний потенціал рідких фаз у зоні взаємодії, вони окислюються, якщо менший - вони відновлюють­ся.

Результати вдування твердого вуглецю залежать від товщини ша­ру металу над зоною взаємодії і ари достатній величині останньої майже весь вуглець, що може за термодинамікою процесу перейти до ме­талу, розчиняється в ньому, а склад газів, що утворюються, наближа­ється до складу газів, що звичайно утворюються при окисленні вугле­цю з металу»

Кон'юнктура з енергоносіїв у майбутньому коливатиметься від­повідно до добування енергоносіїв (газу, нафти, вугілля) та їх ви­користання в народному господарстві. Можна припустити збільшення використання для сталеплавильного виробництва енергоносіїв, що ут­ворюються власно в металургійному виробництві, а також вугілля.